反相器电路

反相器电路反相器的直流特性CMOS与MOSFET•CMOS反相器相当与非门，是数字集成电路最基本的单元电路，了解CMOS反相器先从,MOS场效应管(MOSFET)说起•常用的MOS管符号如下图所示NMOS管简介•如右图，该器件制作在P型衬底上，两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区作为栅极，一层薄SiO2绝缘层作为栅极和衬底的隔离。•NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道上。MOS管的电流电压特性•MOS管的转移特性；•MOS管的输出特性；•MOS管的电流方程；MOS管的转移特性•增强型NMOS管的输出特性如下图，栅极电压超过阀值电压后看时出现电流且栅极uGS越大，漏极电流也越大的现象这个体现了栅极对漏极电流有明显的控制作用。漏极电压对漏极电流的控制作用分为两段，线性区和饱和区。其形成过程视频所示MOS管的转移特性•下图给出NMOS和PMOS管在恒流区的转移特性，其中UTHN和UTHP为开启电压（阀值电压），在半导体物理中UTHN的定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压MOS管的电流方程•NMOS管在截止区，线性区，恒流区的电路方程如下所示|)||||(|1(2|)||||(|22|)||(|0)(1(2)(22)(02222THPGSDSDSPTHPGSOXPTHPGSDSDSDSTHPGSOXPTHNGSDNTHNGSDSDSTHNGSOXnTHNGSDSDSDSTHNGSOXnTHNGSDNUUUUUULWCUUUUUUULWCUUIUUUnUUULWCUUUUUUULWCUUI•式中参数含义如下•(1)µn/p表示的是电子迁移率和空穴迁移率。•若µn≈1300cm²/s∙VµP≈500cm²/s∙V则µn÷µP≈2.6一般情况下µn÷µP≈2~4.•(2)Cox--单位面积栅电容且ε0εsio2/tox,tox是栅极氧化层厚度•(3)W/L--沟道宽度和沟道长度之比电流与宽长成正比•(4)UTPNUTNP---开启电压可以通过工艺控制阀值电压降低（NMOS管降为0.4V左右PMOS管降为-0.3左右）从而使得器件适合于在低电源电压下工作。•(5)λnλp--沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响.•对NMOSλn≈0.01/v对PMOS≈0.02/v.CMOS传输门•(1)CMOS传输门电路•CMOS传输门电路如下图所示，NMOS管和PMOS管的源极漏极接在一起，NMOS衬底接地，PMOS衬底接UDD,二者的栅极控制电压反向•CMOS传输门的直流传输特性它不存在阀值损失问题•Ui较小UGN-UiUTHNN管道通|UGP-Ui|UTHPp管截止，此时N管接近理想开关,N管沟道电流向CL充电使UO=Ui;•Ui升高UGN-UiUTHNN管道通|UGP-Ui||UTHP|p管道导通，此时N管P管共同向CL充电使UO=Ui;•再Ui升高UGN-UiUTHNN管截止|UGP-Ui||UTHP|p管导通，此时P管接近理想开关继续向CL充电使UO=Ui;•利用CMOS的互补作用，传输低电平靠N管，传输高电平靠P管，可以使信号做到无损传输，因此CMOS传输门是一种较为理想的开关。CMOS反相器•下图给出了一些反相器电路•(a)为电阻负载反相器，集成电路中一般不被采用；•(b)为增强型NMOS做负载的反相器，（称之为E/E电路），为使负载管导通，其栅极接UDD,V2管相当于共栅组态，等效负载电阻很小，增益很小，而且为保证沟道与衬底隔离衬底要接到全电路的最低点，因此V2管存在背栅效应，此电路当Ui=0时,V1管截止，输出高电平,电路当Ui=1时,V1管导通，输出低电平；•(c)所示电路用耗尽型NMOS做负载管，（称之为E/D电路）其栅源极之间短路，UGS2=0等效负载为rds2,阻值较大，增益较大，而且V2也存在背栅效应；•(d)所示电路为CMOS反相器，P管衬底接UDD，N管衬底接地，栅极与各自的源级相连，消除了背栅效应，而且P管N管轮流导通截止，输出的不是0就是UDD.CMOS反相器的优点•(b)(c)所示电路，两导管存在分压问题，故其称之为有比电路，(d)电路不像它们因此不存在分压问题，因此CMOS反相器是“无比电路”。•由于CMOS功耗小，速度快，集成度高，驱动能力强，噪声容限大，抗干扰能力强，温度稳定性好，并容易与其他电路兼容，因而CMOS反相器是比较优越的反相器电路。CMOS反相器功耗•静态功耗PS•当Ui=0时，V1截止，V2导通，UO=UDD(1状态);•当Ui=UDD时，V1导通，V2截止UO=0(0状态);•因此无论Ui是0或1，总有一个管子是截止的，ID=0，故静态功耗•PS=ID×UDD=0•实际上，由于漏极电流存在，静态功耗也不全为0，但比起动态功耗来小的多，故可以忽略不计。动态功耗(瞬态功耗)PD•PD1=CL/TC•在UI变化的过程中管子的动态功耗和CL,fc,UDD三者有关，CL越大，充放电速度越慢，iD存在的时间越长，功耗越大频率fc越高，功耗也越大，UDD越高，功耗也越大而且与UDD平方成正比故降低电源电压对降低功耗设计非常重要。•1)对负载电容CL充放电的动态功耗PD1--交流开关功耗。•如图，设输入信号为理想方波，当UI由0→1时，输出电压UO由1→0，V1导通V2截止，IDN使CL充电（反充电）UO下降，反之，当UI由1→0时，输出电压UO由0→1，V1截止V2导通，IDP使CL充电UO上升，因此，在输入信号变化的一段时间内，管子存在电流和电压，故有功率损耗。DDDDcLUOLUOHDDUOLUOHDDUUfCdUoUoUUodUUo)()()(UI为非理想阶跃波形时引入的动态功耗PD2--直流开关功耗•如左图所示，当输入信号不是理想阶跃变化时，反相器中管子的工作状态•(1)对NMOS管UGSN=Ui，则：•若UGSN=UiUTHN时NMOS管截止；•若UGSN=UiUTHN时NMOS管导通；•(2)对PMOS管UGSP=Ui-UDD，则：•当|UGSP|=|Ui-UUDD||UTHP|时PMOS管截止；•当|UGSP|=|Ui-UUDD||UTHP|时PMOS管导通。由图可看出，ti~t2,t3~t4时间段内，NMOS和PMOS同时导通iDN=iDP≠0，UDSNUDSP也不为0，产生瞬态功耗PD2，电贯穿NMOS,PMOS设电流峰值为IDM则PD2≈1/Tc[]因此，要降低功耗必须要按比例减小管子的尺寸，特别是减小供电电压UDD.)(21224321frDDDMDDttDMDDttDMttfcUIdtUIdtUI2222THNDDOXnTHNDDNOXnDMUULWCUULWCIPCMOS反相器的直流传输特性随着Ui由大变小，反向器的工作状态可分为5个阶段，如左图•(1)AB段：0UiUTHN，IDN=0,N管截止P管非恒流导通有•UO=UH=UDD•(2)BC段：UTHNUiUO+|UTHP|•即N管饱和导通，P管非饱和导通其输出电阻很小，反相器相当于一个增益很小的放大器，随着Ui增大UO但减小很慢中间某一点的增益为-1.•(3)CD段：Ui进一步增大且满足UO+|UTHP|≤Ui≤UO+UTHN时，两管的栅去和漏区都处于预夹断状态，NMOS和PMOS管同时恒流导通，输出电阻很大，此时反相器相当于一个有源负载电路很大的反响放大器，增益极大，随着Ui增大，UO急剧下降传输特性的斜率很大，接近与垂直线(反相器的阀值电压UiT)此时的N管和P管电流相等根据电流方程且IDN=IDP可得反相器的阀值电压UiT=22THNGSNNOXnDNUULWCI22THPGSPPOXnDPUULWCIPOXnPNOXnNLWCLWC2222TPDDIPDPTHNINDNUUUIUUIPNTHPTHNDDTHNUUUU1•(4)DE段：随着UI继续上升当满足•UTHN+UOUiUDD+UTHP时N管退出恒流区，进入线性导通区，而P管仍维持在恒区，N管作为P管的负载管负载电阻很小，所以增益减小，UO变化缓慢。(5)EF段:随着UI进一步增大，当满足UDD+UTHP≤Ui≤UDD时P管截止，IDP=0，N管维持非饱和导通而招致UO=0。有传输特性可见，在UTHNUiUDD+UTHP之间，双管同时导通反相器消耗直流功率。噪声容限CMOS反相器的噪声容限所谓噪声容限，是指在噪声干扰下，逻辑关系发生偏离的最大允许值，如下图，若输入信号中混入了干扰，当此干扰大过反相器电压阀值时，则是原本是高电平的输入信号翻转为低电平，则是原本是低电平的输入信号翻转为高电平。噪声容限有多种定义方法其中一种是以阀值电压UiT为界，则低端的噪声容限为UNL，高端的噪声容限为UNH。噪声容限定义•如下图所示•对于左图有•UNL=UiTUNH=UDD-UiT•若要使高端噪声容限和低端噪声容限相等，即UNL=UNH。•则UiT=UDD=UNH=UNL此时的噪声容限为最佳噪声容限。•UiT•若P管的阀值电压和N管的阀值电压相等，则有βN=βP•导电因子•则PNTHPTHNDDTHNUUUU1POXnPNOXnNLWCLWCNNpnPLWLWLW4~2•由该式可得，在最佳噪声容限下，要求P管的尺寸比N管尺寸大2~4倍，如果沟道长度设计成一样的，则P管沟道宽度要比N管大。即•LP=LNWP=(2~4)WN如果取则那么UiT偏小,UNLUNH.NNPLWLWpnLW4~2NPLWLW4~2PNPN•噪声容限的另一个定义是以两个增益为界，此时低电平的噪声容限和高电平的噪声容限将更为严格，且有•UNL=17/8=2.125V=UNH•最佳噪声容限下反相器的版图设计如下图(a)所示,等尺寸反相器版图如下图(b)所示•ab